燃料物性參數對瓦斯煤塵復合爆炸的耦合作用*

郭佳琪，裴 蓓，徐夢嬌，李世梁，韋雙明，胡紫維

（1. 煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心，河南 焦作 454003；2. 河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作 454003）

為實現“雙碳”目標，煤炭能源需向綠色低碳化發展[1]。新型燃煤耦合發電技術是當前最可行的低碳排放方式，例如生物質氣化燃煤耦合[2]、煤粉耦合氨[3]燃燒等技術，其實質是利用煤粉與氣體的燃燒，提高燃煤效率、降低碳排放。我國煤礦發生的重特大事故中，爆炸事故占比最高、后果最嚴重[4]。相較于單一組分爆炸，瓦斯/煤塵復合體系爆炸的時間更短、強度更大，反應機理也更復雜，破壞性更強。因此，研究氣體粉塵耦合燃燒，對減少爆炸事故、提高燃煤耦合技術、促進煤炭清潔高效發展具有重要意義。

針對瓦斯/煤塵復合爆炸特性，Cashdollar[5]、Going 等[6]發現甲烷的存在會降低混合物的爆炸下限，煤塵揮發分、粒徑和點火能量都與爆炸下限關系密切，煤塵的粒徑越小、揮發分含量越大，爆炸威力越大。Kundu 等[7]發現甲烷的存在提高了煤塵爆炸的強度，容器和管道內的壓力則隨點火能量的增加而增加。Mishra 等[8]研究了煤塵的粒徑和濃度對最低點火溫度和爆炸強度的影響。Cloney 等[9-10]通過CFD 模擬了粒徑10 μm 的煤塵和甲烷氣體的爆炸下限，混合火焰模擬顯示了強火焰、弱火焰、不穩定的火焰和無火焰等4 種接近可燃極限的機制。通過改變煤塵濃度與甲烷含量，李慶釗等[11]發現粉塵濃度和甲烷含量的增加會使爆炸壓力呈先增加后降低的趨勢，最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率隨初始壓力的增加而不斷上升[12]，Song 等[13]發現了同樣的規律，并發現僅在甲烷體積分數較高時，瓦斯/煤塵的爆炸風險才高于純煤塵。針對燃料的最佳濃度，Liu 等[14]在大型水平管道中實驗了不同粒徑和揮發分煤塵的最佳爆炸濃度，司榮軍等[15]發現當甲烷體積分數小于最佳爆炸體積分數時，煤塵對甲烷爆炸起先促進后抑制的作用；低于此值時煤塵起抑制作用。李潤之等[16]測試了靜止及湍流狀態下甲烷和煤塵的爆炸下限，發現隨著甲烷含量的增加，煤塵的爆炸下限呈指數衰減。景國勛等[17-18]探究了不同裝置內煤塵質量濃度對甲烷爆炸及傳播特性的影響。Cao 等[19]通過實驗與數值模擬評估了爆炸的嚴重程度參數，揭示了煤塵的爆炸機理。裴蓓等[20]對瓦斯/煤塵爆炸初期復合火焰的加速特性及流場特征進行了實驗研究，發現馬克斯坦長度隨甲烷體積分數的增大而減小，且均為正值，爆炸初期火焰發展趨于穩定。

對于其他可燃性粉塵，陳曉坤等[21]發現微米級鋁粉的粒徑越小，其最佳粉塵濃度越低。覃小玲等[22]發現NH4H2PO4粉塵能有效減輕蔗糖粉塵爆炸危害，且在一定范圍內，粒徑越小，抑爆效果越好。Wu 等[23]通過分析MgH2、TiH2和ZrH2等金屬氫化物粉塵的產氣量和單位質量燃燒熱，評估了這3 種粉塵的點火靈敏度和爆炸嚴重程度。類似于瓦斯/煤塵復合體系的其他可燃氣體粉塵混合物研究，Pico 等[24]通過改變粉塵濃度、點火延遲、噴嘴幾何形狀，找到了評估不同類型的小麥淀粉/熱解氣體混合物可燃材料的爆炸嚴重程度的方法。Wang 等[25]測試了鋁粉在空氣中、氫氣和氮氣中的爆炸特性，發現鋁粉粒徑越小，氫的作用越明顯，爆炸壓力越大；氮氣對粉塵爆炸有明顯的抑制作用，濃度越高燃燒時間越長。徐偉巍[26]在香煙草粉塵中充入酒精蒸氣使粉塵爆炸上限升高；升高環境溫度對爆炸強度有明顯的促進作用。孫超倫[27]測試了二氧化碳、氮氣與赤泥兩相抑爆劑對甲烷爆炸參數的影響，對比了單項抑爆劑的性能差異。另外，從多種氣體粉塵混合物的研究中，Abbas 等[28-29]發現混合物的最低爆炸極限是系統中的燃料總量的極限濃度。Jiang 等[30]提出了一種新的公式來改進對混合物最低爆炸極限的預測。Addai 等[31-32]研究了氣粉混合物的最小點火能及極限氧濃度，結果表明，低于最低爆炸極限的氣體與粉塵混合，粉塵的最小點火能顯著降低；當使用弱的火花點火器時，甲烷、丙酮蒸氣和異丙醇霧與粉塵的混合物的極限氧濃度明顯低于粉塵空氣混合物的。

綜上所述，甲烷體積分數、煤塵濃度、粒徑等是影響瓦斯/煤塵等可燃性氣粉混合物爆炸的重要因素，而現有文獻主要研究的是單一物性參數對爆炸特性的影響規律，缺少對混合燃料物性參數之間的耦合作用對爆炸威力影響的定量分析。基于此，本文中采用20 L 球形爆炸系統研究瓦斯/煤塵的爆炸特性，開展煤粉質量濃度、甲烷體積分數、煤粉粒徑、煤粉種類等4 個物性參數之間的耦合作用對復合體系爆炸威力影響的量化分析。

1 實 驗

1.1 實驗系統

如圖1 所示，實驗采用20 L 球爆炸參數測試系統，爆炸球體為雙層不銹鋼結構，夾層內充入恒溫水以保持容器內溫度恒定。球體上設有觀察視窗，四周接有進氣口、排氣口、壓力傳感器。

圖1 20 L 球形爆炸容器裝置圖Fig. 1 Diagram of a 20 L spherical explosive container device

點火系統由電火花發生器和點火電極組成，電火花發生器由控制系統控制，能夠穩定產生電火花，點火能量為60 J，點火電極直徑1.5 mm、間距3 mm，點火位置處于球體中心。噴粉系統由0.6 L 粉塵倉、壓力傳感器、電磁閥和快速攪拌器組成，噴粉壓力2.1 MPa。同步控制和數據采集系統由同步控制器、高頻壓力傳感器和無線傳輸模塊組成。

實驗前先調試設備使其達到最佳工作狀態，確保設備氣密性良好，在粉塵倉中加入一定質量的煤粉，使用真空泵抽取球內空氣，通入相應體積分數的甲烷及空氣使球內壓力達到定值，向粉塵倉加壓至2.1 MPa，操作軟件將煤粉吹入球內并啟動點火，噴粉的同時觸發同步控制器進行壓力數據采集。每組實驗結束后靜置3 min 使設備冷卻，并清理球內余粉，為減小誤差，每組實驗重復3 次。實驗初始環境溫度25±3 ℃，壓力101 kPa。

1.2 實驗材料

實驗采用的煤樣為褐煤和無煙煤，工業分析結果見表1。實驗所需煤樣依次用200、90、60 目的標準篩制備，使用Hydro 2000SM 型激光粒度分析儀測量了煤樣的粒徑分布情況如圖2所示。使用200、90、60 目的標準篩制備出的褐煤的中值粒徑D50分別為：36、111、311 μm，無煙煤的D50分別為41、135、255 μm，3 種粒徑總體分布較均勻。

表1 煤粉的工業分析Table 1 Industrial analysis of coal dust

圖2 煤粉粒徑分析結果Fig. 2 Results of particle size analysis of coal dust

2 結果與討論

2.1 瓦斯煤塵復合爆炸因素正交實驗分析

正交實驗既能減少實驗次數，又能全面反映各因素對實驗的影響[33]。選取煤粉質量濃度、甲烷體積分數、煤粉粒徑、煤粉種類為正交實驗的4 個影響因素，每個因素的具體水平（即因素所處的不同狀態）如表2 所示，以復合體系最大爆炸壓力（pmax）和最大爆炸壓力上升速率（(dp/dt)max）為衡量指標，分析4 個因素對復合爆炸的影響。其中煤粉粒徑為褐煤與無煙煤D50的平均值，煤粉種類采用工業分析測得的揮發分的百分比來表示。

表2 正交實驗各因素及水平參數Table 2 Factors and level parameters of orthogonal experiment

（1）直觀分析

表3 為正交實驗的極差分析結果，Ki為各因素同一水平試驗數據之和，ki為Ki的平均值，其值可用于評價因素各個水平的優劣。對于pmax，煤粉質量濃度對應的k3最大，因此質量濃度為100 g/m3時，對pmax影響最大，(dp/dt)max的最佳水平為30 g/m3。極差大小可用來衡量因素對指標的影響程度。由表3 可知，甲烷體積分數的極差R較其他因素的更大，說明瓦斯質量濃度對pmax和(dp/dt)max的影響更加顯著。對于pmax，4 個因素的影響程度由強到弱依次為：甲烷體積分數、煤粉質量濃度、煤粉種類、煤粉粒徑；對于(dp/dt)max，其影響程度由強到弱依次為：甲烷體積分數、煤粉質量濃度、煤粉粒徑、煤粉種類。

表3 正交實驗的極差分析結果Table 3 Results of extreme difference analysis of orthogonal experiments

（2）方差分析

表4 為正交實驗的方差分析結果，煤粉種類在瓦斯煤塵爆炸中的區別主要體現在揮發分的含量上，分析時選用褐煤與無煙煤的揮發分作為考量參數。方差分析法考慮了實驗誤差引起的數據波動影響，并對各因素的重要程度給出了精確的數量估計。通過計算平方和與均方得到F值，將F值與F分布分位數表中的臨界值進行比較，即可得到判斷因素影響是否顯著的標準。通過比較F臨界值，分析得到甲烷體積分數對pmax和(dp/dt)max有高度顯著的影響，煤粉質量濃度對(dp/dt)max有顯著影響，其他因素對兩指標均無較明顯的影響。

表4 正交實驗的方差分析結果Table 4 Results of the variance analysis of orthogonal experiments

2.2 復合爆炸單因素試驗結果分析

（1）煤粉質量濃度單因素

圖3 為褐煤與無煙煤在不同粉塵質量濃度下的pmax。與純氣體爆炸相比，當煤粉質量濃度增加到100 g/m3后，煤粉的參與對體系最大爆炸壓力的影響更大，影響方式與瓦斯濃度有關。由圖3(a)可知，質量濃度為100、200 g/m3的褐煤，在甲烷體積分數為6%時，使pmax分別升高了31.59%、29.03%，在甲烷體積分數為11%時，使pmax分別降低了17.34%、21.95%。這是由于在瓦斯含量低時，煤粉的加入增加了可燃物的量，增強了爆炸強度，導致pmax升高。當煤粉質量濃度超過了其最佳濃度，粉塵顆粒會出現高度的沉降現象，體系內的湍流強度降低。煤粉在沒有引燃的情況下相當于惰塵，與火焰的互相作用導致火焰自由基迅速衰減[34]，密集的煤塵粒子阻礙了與氧氣的接觸和傳熱，也同樣減弱了鏈式反應。

圖3 不同煤粉質量濃度下pmax 隨甲烷體積分數的變化Fig. 3 Variations of pmax with methane volume fraction at different coal dust concentrations

當甲烷體積分數較低時，復合爆炸體系對煤粉的參與更加敏感，煤粉與低濃度甲烷具有更強的協同效應，添加少量的煤粉即可引起pmax的升高，質量濃度為30、60 g/m3的褐煤的pmax增加的幅度分別為17.77%、22.15%。在預熱區內，煤塵遇熱析出的揮發分使當前環境的可燃氣體含量增多，因此只需少量的煤塵參與，便可主導與瓦斯的鏈式反應，提升體系的爆炸強度。

從圖3 可以看出，無煙煤與褐煤的粉塵質量濃度對復合體系爆炸的影響機制是相同的，但褐煤的影響更顯著，表明高揮發分的煤種更容易受煤粉濃度的影響，但揮發分的影響較煤粉濃度更微弱，與前文正交實驗極差分析所得結果一致。當煤粉質量濃度小于100 g/m3時，褐煤與無煙煤的pmax都隨甲烷體積分數的增加而升高，而當質量濃度高于100 g/m3，褐煤的pmax隨甲烷體積分數的增加而降低，而無煙煤的先升高后下降。因此，揮發分影響了最佳甲烷體積分數，無煙煤的最佳甲烷體積分數更低。說明煤粉濃度較大時，高揮發分含量的煤會使最佳甲烷體積分數增大。

（2）甲烷體積分數

氣粉兩相爆炸可依據燃料濃度劃分為不同驅動機制[35]：氣體驅動、粉塵驅動、雙燃料驅動、協同爆炸、未爆炸。圖4 為在不同甲烷體積分數下，褐煤與無煙煤的pmax和(dp/dt)max的變化曲線。在煤粉質量濃度為30 g/m3時，復合體系的pmax隨甲烷體積分數升高而先增大后減小，體積分數9%的甲烷爆炸程度最高。這是因為在煤粉濃度較低時，氣體驅動爆炸機制占主導，接近當量比時體系發生的反應更充分，因此pmax和(dp/dt)max最大。

圖4 不同甲烷體積分數下，pmax 和(dp/dt)max 隨煤粉質量濃度的變化Fig. 4 Variations of pmax and (dp/dt)max with the mass concentration of coal dust at different methane volume fractions

當甲烷體積分數為6%時，煤粉對復合體系的爆炸有促進作用，質量濃度高的煤粉促進作用更強；而當甲烷體積分數為9%、11%時，隨著煤粉含量的增加，pmax呈下降趨勢，煤粉的加入抑制了爆炸。由于氣體驅動機制較弱，體系提供的初始能量低，煤粉濃度的增加使得更多可燃性揮發分釋放，參與爆炸的物質增多，提升了瓦斯煤塵復合體系的pmax。但當瓦斯含量增加時，初始爆炸強度提高，此時復合爆炸體系中瓦斯的爆炸會占據主導位置。而煤塵和瓦斯的爆炸效果都會因空間內氧氣含量的變化而變化，添加煤粉會使氧氣含量相對減少，甲烷燃燒的程度減弱，同時提供給煤粉熱解的能量減少。因此，在煤塵濃度較高時，甲烷的主導作用被削弱，充入更多瓦斯會使自身和煤粉都與氧氣發生不完全反應，降低爆炸超壓。

對于(dp/dt)max的變化曲線，當煤粉濃度增加時，體積分數6%的甲烷的(dp/dt)max總體呈小幅上升的趨勢，而體積分數9%、11% 的甲烷的(dp/dt)max呈下降趨勢，體積分數6% 的甲烷較體積分數9%、11%的(dp/dt)max更低。對于體積分數9%的甲烷，在與煤粉混合燃燒的過程中，隨著煤粉的加入，對其本身高強度的氣體驅動產生了抑制，因此(dp/dt)max開始降低；而當煤粉添加到一定量后，因煤粉產生的固體驅動開始發揮主導作用，具體表現為(dp/dt)max增大。總體來講，甲烷本身的氣相驅動與煤粉本身的固相驅動相互競爭導致其壓升速率先降低后增加。

2.3 最大壓升速率及其來臨時間

圖5 為褐煤與無煙煤的(dp/dt)max及其來臨時刻ta。可以看出，甲烷體積分數為6%時，揮發分含量不同的兩種煤在復合體系中的爆炸強度有明顯區別，褐煤的(dp/dt)max要高于無煙煤，來臨時刻差異更顯著，較無煙煤早了100 ms 左右。煤塵參與的爆炸過程一般分為兩種，一方面是煤塵與空氣接觸，固體碳顆粒表面與空氣中的氧氣發生非均相燃燒；另一方面是粒子在預熱區遇熱，表面溫度升高發生熱解，從而釋放出可燃氣體，被引燃的甲烷提供能量來進行氣體的均相燃燒。而褐煤的揮發分高于無煙煤，對于相同燃燒強度的甲烷提供的能量，褐煤能夠析出的可燃氣體更多。當氣體驅動強度較弱時，揮發分顯著影響了瓦斯煤塵的復合爆炸強度，高揮發分的煤塵，其壓升速率峰值也更高，來臨時間也更早。

圖5 瓦斯煤塵爆炸(dp/dt)max 及其來臨時刻（煤粉質量濃度60 g/m3）Fig. 5 (dp/dt)max of methane coal dust explosion and its moment of arrival (coal dust mass concentration: 60 g/m3)

但當甲烷體積分數變大，復合爆炸體系燃燒反應增強，無煙煤的(dp/dt)max來臨時刻要早于褐煤的，且(dp/dt)max更大。此時混合爆炸體系由粉塵驅動向氣體驅動型轉化[36]，內爆炸初始能量較高，氣體燃燒產生了更多的能量來促進煤塵參與反應，褐煤會釋放出更多的揮發分。雖然燃燒初期甲烷爆炸提供了足夠的熱量，但熱解產生的可燃物降低了復合體系內的氧濃度，使褐煤瓦斯體系爆炸反應不夠充分，因而無煙煤爆炸強度更高。

隨著煤粉粒徑的增大，當甲烷體積分數為9%時，褐煤與無煙煤的(dp/dt)max的大小差異更加明顯，說明煤粉粒徑越大，區別更突出，且褐煤的(dp/dt)max高于無煙煤的。說明在瓦斯煤塵復合爆炸過程中，揮發分的作用受粒徑大小影響，粒徑越大，越不利于低揮發分煤塵參與爆炸。

2.4 爆炸系數

爆炸系數Kst是(dp/dt)max與體積立方根的乘積，Kst抵消了dp/dt對體積的依賴性[37]。由圖6 可知，粒徑小的煤塵Kst更高，且甲烷體積分數的增加對不同粒徑煤粉的復合體系起先促進后抑制的作用。粒徑在40 μm 以下的煤塵因直徑小、質量小，容器內甲烷燃燒產生的能量對粒子的浮力要大于本身重力，因而懸浮在內部等待熱解的粒子較多，爆炸危險性更強。大顆粒的煤塵受重力作用積聚底部，懸浮在空氣中能參與反應的粒子較少，爆炸強度較低。另外，接近300 μm 的粒子比表面積大，導致與氧氣的表面能減小[38]，進而顆粒間傳熱速度減緩，粉塵云燃燒速率降低。當甲烷體積分數增大時，3 種粒徑煤粉的爆炸強度開始減弱，煤塵粒子與甲烷形成競爭，高濃度的甲烷與大量懸浮顆粒互相抑制了彼此的反應進行，因而Kst減小，甲烷體積分數的變化對體系產生的影響要比煤粉粒徑更顯著。

圖6 不同粒徑煤粉的Kst 隨甲烷體積分數的變化（煤粉濃度100 g/m3）Fig. 6 Variation of Kst with methane volume fraction for different particle sizes of coal dust (coal dust concentration: 100 g/m3)

圖6(a)為褐煤3 種粒徑的Kst變化，粒徑為39 μm 的褐煤粒子在高濃度甲烷條件下較123、283 μm粒子的Kst更小，分別為4.69、7.10、6.36 MPa·m/s，爆炸威力因甲烷體積分數的增加開始迅速減弱。而無煙煤在11%的甲烷體積分數下，3 種粒徑的Kst雖為下降趨勢，但還未出現明顯區別，約7 MPa·m/s，不同粒徑煤粉的復合體系的爆炸強度沒有顯著差異，且均在減弱。由此可見，當甲烷體積分數高于當量濃度時，揮發分高的煤塵受粒徑因素影響更明顯，小直徑的煤塵粒子在復合爆炸體系中受的抑制作用更強烈。

粒徑為39 μm 的無煙煤粒子與粒徑為283 μm 復合體系的Kst值較接近，分別為9.39、9.02 MPa·m/s，此時，無煙煤粒子在空間內具有較高的分散性，可以充分利用甲烷燃燒形成的熱量。因此，大顆粒的、揮發分低的粒子也存在最佳條件，多個影響因素耦合發揮協同作用，形成爆炸強度較高的瓦斯煤塵復合體系。在甲烷體積分數接近當量比時，褐煤Kst的變化率為14.16%，無煙煤Kst的變化率為22.91%，不同粒徑的無煙煤Kst值差異更顯著。因而揮發分低的煤粉，在體系提供強度足夠高的氣體驅動能量時，粉塵粒徑的影響更大。

3 結 論

(1) 對于瓦斯煤塵爆炸復合體系的pmax，4 個因素的影響程度由強到弱依次為：甲烷體積分數、煤粉質量濃度、煤粉種類、煤粉粒徑；對于(dp/dt)max，其影響程度由強到弱依次為：甲烷體積分數、煤粉質量濃度、煤粉粒徑、煤粉種類。甲烷體積分數對pmax和(dp/dt)max有高度顯著的影響，煤粉質量濃度對(dp/dt)max有顯著影響。

(2) 煤粉對體系爆炸強度的影響隨甲烷體積分數的增加起先促進后抑制的作用，煤粉質量濃度增加到100 g/m3后，對于體積分數6%的甲烷，能夠更顯著地“激勵”復合體系爆炸。對于體積分數9%、11%的甲烷，復合體系的最大爆炸壓力隨煤粉質量增加而減少，甲烷體積分數接近當量比時，體系的爆炸強度更高。

(3) 高揮發分對復合體系爆炸產生的影響更大，甲烷體積分數存在臨界值，低于此臨界值，揮發分高的煤塵更能促進體系爆炸，而高于此臨界值，低揮發分復合體系具有更大的爆炸強度。在低揮發分和高煤粉質量濃度下，煤種揮發分和煤粉質量濃度2 個因素耦合會降低瓦斯最佳濃度。

(4) 粒徑影響了揮發分的作用，粒子直徑越大，揮發分因素產生的作用差異越明顯。粒徑因素與揮發分耦合作用下，對于體積分數11%的甲烷，揮發分高的、粒徑小的煤塵粒子在復合爆炸體系中受的抑制作用更大。而在甲烷體積分數接近當量比時，揮發分低的煤粉，粒徑的差別會產生更明顯的影響。